CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM
2.5. Kết luận chương 2
Trong chương này, luận án đã trình bày các quá trình thực nghiệm sau đây:
Chế tạo vật liệu Zn2SnO4 có các hình thái khác nhau: dạng hạt nano, dạng khối lập phương, dạng khối bát diện bằng phương pháp thủy nhiệt.
Quy trình chế tạo cảm biến dựa trên vật liệu Zn2SnO4 với các hình thái khác nhau ở trên.
Quy trình chế tạo hạt nano Platin bằng phương pháp khử (polyol).
Quy trình biến tính hạt nano Platin lên vật liệu Zn2SnO4 và chế tạo cảm biến dựa trên vật liệu biến tính.
Hệ phân tích tính chất nhạy khí và giới thiệu phương pháp đo tĩnh để khảo sát tính chất nhạy khí của cảm biến.
Các điều kiện cũng như các thông số kỹ thuật tối ưu sẽ được nghiên cứu sinh khảo sát và đưa ra ở những phần tiếp theo.
CHƯƠNG 3. HÌNH THÁI, VI CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT NHẠY KHÍ CỦA VẬT LIỆU Zn2SnO4 TỔNG HỢP BẰNG
PHƯƠNG PHÁP THỦY NHIỆT
Như đã trình bày ở Chương 1, vật liệu Zn2SnO4 (ZTO) được báo cáo là thích hợp cho ứng dụng cảm biến VOCs vì tính ổn định nhiệt cao, độ linh động điện tử cao và độ nhạy khí cao. Nhiều hình thái cấu trúc ZTO khác nhauđã được nghiên cứu để phát hiện VOCs [19], [126], [127], [131], [143], [145]. Nói chung, ZTO thu được bằng các phương pháp khác nhau cho các hiệu suất nhạy khí khác nhau vì đặc tính nhạy khí của cảm biến phụ thuộc nhiều vào các đặc tính vật liệu [156]. Ví dụ, Li và các cộng sự [143] báo cáo rằng các hạt nano ZTO cho thấy các giá trị đáp ứng lần lượt là 6,0 và 5,3 đối với 100 ppm khí ethanol và acetone. Tharsika và cộng sự [127] báo cáo rằng các dây nano ZTO được chế tạo bằng quá trình bay hơi nhiệt cho độ đáp ứng 21,6 đối với 50 ppm ethanol ở 500 ºC. Các tinh thể ZTO một chiều có thể được hình thành bằng phương pháp pha hơi ở nhiệt độ cao khoảng 1000 ÷ 1300 °C [157]. Yang và cộng sự [21] đã chế tạo các quả cầu rỗng ZTO bằng phương pháp thủy nhiệt cho độ đáp ứng khoảng 153 đối với 200 ppm acetone ở 200 ºC. Shu và cộng sự [144] đã chế tạo một cấu trúc giống như bát diện phân cấp ZTO bằng cách sử dụng phương pháp hóa học đơn giản, sau đó là xử lý nhiệt, họ nhận thấy rằng vật liệu ZTO tổng hợp cho thấy khả năng phản ứng cao nhất với formaldehyde, tiếp theo là ethanol, acetone, methanol và metylbenzen. Rõ ràng là bằng cách kiểm sốt hình thái, kích thước tinh thể, độ xốp, mức độ khuyết tật và diện tích bề mặt của vật liệu, các nhà nghiên cứu có thể tối đa hóa hiệu suất cảm biến của các cảm biến khí [147]. Cho đến nay, nhiều cơng trình cơng bố việc chế tạo các cấu trúc nano ZTO với các hình thái mới lạ nhằm nâng cao độ nhạy, độ ổn định và tính chọn lọc của hiệu suất cảm biến VOCs [15], [16]. Các cơng trình trên cho thấy rằng so với các màng dày chứa các hạt nano, vật liệu nano xốp hoặc rỗng có diện tích bề mặt lớn hơn, có nhiều các vị trí hoạt động tích cực hơn để hấp phụ khí và khuếch tán khí nhanh hơn, tất cả đặc tính này đều dẫn đến làm tăng hiệu suất cảm biến khí [158]. Tuy nhiên, ảnh hưởng của hình thái học đối với hiệu suất cảm biến khí VOCs
của vật liệu ZTO vẫn chưa được nghiên cứu kỹ lưỡng. Ngoài ra, hiệu suất cảm biến VOCs của các hạt nano ZTO, khối lập phương rỗng và khối bát diện rỗng vẫn chưa được nghiên cứu và so sánh một cách hệ thống để tối ưu hóa hiệu quả của các cảm biến với giới hạn phát hiện thấp và ít phụ thuộc vào độ ẩm trong viêc ứng dụng cảm biến khí vào phân tích hơi thở để chẩn đoán bệnh tiểu đường.
Trong chương này, luận án sẽ tập trung vào phân tích ba cấu trúc hình thái khác nhau: dạng hạt nano, dạng khối lập phương rỗng và dạng khối bát diện rỗng của vật liệu nano ơ xít đa ngun bán dẫn Zn2SnO4 được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt. Ba hình thái vật liệu trên được chế tạo bằng cách thay đổi khối lượng chất hoạt động bề mặt P-123, hoặc thay đổi độ pH (thay đổi khối lượng NaOH) trong quá trình thủy nhiệt. Các loại cảm biến trên cơ sở vật liệu Zn2SnO4 có cấu trúc hình thái khác nhau đã được chế tạo một cách dễ dàng bằng phương pháp nhỏ phủ trên đế silicon ôxy hóa có điện cực Pt. Các đặc tính nhạy khí của lớp vật liệu của các loại cảm biến đã được khả sát đối với các khí VOCs bao gồm: acetone, ethanol, và methanol, trong dải nồng độ từ 0,5 ppm đến 500 ppm, ở nhiệt độ từ 350 °C đến 450 °C. Cơ chế cảm nhận khí VOCs của vật liệu ZTO với các hình thái khác nhau cũng được thảo luận liên quan đến độ xốp, kích thước tinh thể và diện tích bề mặt. Khối bát diện rỗng ZTO cho thấy hiệu suất cảm biến tốt nhất đối với acetone với giới hạn phát hiện thấp tới mức ppb nên cảm biến trên rất phù hợp để ứng dụng trong chẩn đoán bệnh tiểu đường. Chi tiết các kết quả và thảo luận được trình bày lần lượt sau đây.